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太阳风暴交响曲：你所不了解的空间天气
上传时间：2025-09-25 14:41 来源：格致论道讲坛
简介:
各位朋友，今天我给大家带来一曲来自太空的音乐——“太阳风暴交响曲”，给大家介绍一下什么是空间天气，最近几年，在北京，我们也能够看到“太空之舞”。
最近几年，在北京，我们也能够看到“太空之舞”。图上是去年（2024年）10月11日的时候，我们在北京看到的红色极光。这是来自于太空的舞蹈，我们的“中国红”映上太空。
▲2024年10月11日，地磁暴期间北京上空出现红色极光
非常遗憾的是，当时我并不在北京，我在一个可以更理想地看到极光的地方——冰岛。下面这张照片是当时我用手机拍的，是在冰岛同一时间观看到的极光。你看这极光是不是像一条飞舞的中国龙？
▲冰岛的极光
所以在太空之中，我们有了“中国红”，还有“中国龙”，它们翩翩起舞。但是舞蹈需要音乐，音乐是谁发出来的？谁在做这个伴奏音乐的指挥？大家也许想不到，答案是太阳。
一、极光源自太阳
太阳离我们非常遥远，远不止十万八千米，太阳离我们一亿五千万公里。太阳也不只是发光、发热，它还会释放出高能的粒子，因为太阳大气温度非常高，能够达到100万摄氏度，所以太阳大气已经不是在地球上所遇到的中性成分。而地球上的海洋、地球的低层大气都是中性的成分。
但是太阳表面的温度非常之高，所有的粒子都电离成了带电粒子。这些带电粒子能够不受太阳引力的束缚，不断地往外膨胀，我们形象地把它们称之为“太阳风”。
▲太阳风
太阳风不断地吹拂地球。地球有一个很特殊的特征——有磁场，像一个巨大的磁铁。如果没有太阳风的作用，这个磁铁产生的磁场是偶极场，但是由于太阳风不断地吹拂，它的前面就会压缩，后面就会拖成一个长长的尾巴，我们称之为“磁尾”。
从上图可以看到，磁力线是能够从行星际、太阳跟地球之间的空间，一直进入到地球的极区，进入到大气。所以为什么在极区、高纬的地区能够看到极光，是因为这些带电粒子会受到磁场的影响。
中学物理教过，带电的粒子要受到洛伦兹力的作用，它更倾向于沿着磁力线传播，而不是横跨磁力线。
在地球上，只有在两极的地区，磁力线是从太空直接进入到大气，所以这些高能粒子沿着磁力线进入到大气层，轰击大气，就会产生美丽的极光的现象。
所以大家没有想到，在地球上“太空之舞”的极光，源自于远在一亿五千万公里之外的太阳。
二、太阳也不总宁静平和如母亲
说到太阳，我们平时司空见惯，它好像一成不变。那只是因为在光学波段，太阳变化非常少。
但是在其他的波段，比如一些高能的波段——X射线的波段，就能够看到太阳上的爆发现象。所以大家也千万不要用裸眼去看太阳，以免被灼伤。
▲左：X射线成像下的太阳
右：Hα成像下的太阳
我们可以用仪器来观测太阳。但由于地球大气的影响，一些高能波段比如X射线，在地面上是没法看见太阳的，所以我们要把X射线的探测器装到卫星上，进入到太空，才能观测到太阳。
在X波段就能够看到，太阳不是一成不变的，它也不总是宁静、平和，像母亲一样。它有时候会产生一些剧烈的爆发活动。
根据我们的长期观测研究，太阳活动有11年的变化周期，有时候处在太阳活动的低年，有时候是太阳活动的高年。2024年到今年（2025年）、也许到明年（2026年），都处在一个太阳活动的极高年。这就是为什么近年来在北京也能看到十年不遇的极光。
太阳上有两类爆发活动：一类爆发活动是太阳耀斑。一次太阳耀斑在1个小时释放的能量可以供全世界使用100万年，它释放的能量是巨大的。
▲太阳耀斑
那什么是太阳耀斑？太阳耀斑是太阳上一次剧烈的能量释放过程，我们可以想象它是地球上的闪电现象，那就是来自于太阳的“闪电”。太阳耀斑是太阳最剧烈的爆发活动。
第二类太阳爆发活动是“日冕物质抛射事件”。“日”就是太阳，“冕”就是帽子，即太阳外层大气有物质的喷发。
▲星载日冕仪观测日冕物质抛射事件
做一个比喻的话，就像地球的大暴雨，一次日冕物质抛射事件，太阳会喷出上百亿吨的物质，它的速度非常快，每秒能达到1000公里。如果从上海到北京，就只需要1秒多钟，速度非常快。日冕物质抛射事件也可以说是太阳打了一个大“喷嚏”。
在没有爆发的时候，刚才说的太阳风也是以每秒几百公里的速度——从300公里到800公里都有，不断地在向外喷射太阳风。
那么用图片看看日冕物质抛射事件。它是一团巨大的物质，抛射物在中间，图上就是日冕物质在星际的典型大小。
再看看图片的右下角，那是地球，所以地球相对于整个抛射物而言，是非常小的一块。可以想象，这么大一团的抛射物如果撞击到地球，会给地球环境带来多么严重的影响。
太阳上的爆发在星际空间的传播，最后会影响到地球空间。所以在地球空间环境的这些短时间尺度的变化，我们就形象地称之为“空间天气”。
三、太阳活动对地球空间的三轮打击
太阳活动对地球空间环境的影响，我们可以称为有三轮打击。
第一轮打击是太阳耀斑。它以光速传播高速高能的粒子——X射线、紫外线都是以光速传播的。太阳到地球的距离是一亿五千万公里，光速是每秒30万公里，所以第一轮打击时间非常短暂，只有8分多钟。
第二轮打击是太阳爆发活动。它会在太阳表面加速一些高能带电粒子，这些高能带电粒子从太阳传播到地球，大致是几十分钟的量级。它就像一个先遣部队，虽然速度比较快、能量比较高，但是规模比较小。
最大规模的大部队是日冕物质抛射，也是从太阳风中传播的大部队。这些抛射物大致速度为每秒钟几百公里，所以它传播到地球大约需要1～4天的时间。
这些就是太阳上的爆发活动对地球空间形成的三轮打击。这三轮打击到底给地球空间环境会造成什么样的影响？
第一轮打击是X射线、紫外线光速传播8分钟之后到达地球，它能够使地球大气产生电离。在地球空间90公里到350公里的高度上面有一层电离层，X射线和紫外线是产生这个电离层的主要物理机制。
一次太阳爆发带来的强大X射线和紫外线，会造成电离层电子浓度的显著增加，我们在地球上也能够见到太阳耀斑。它释放大量的X射线，成百上千倍地增加。这样就导致了电离层电子浓度的显著增加，影响人类的通讯和导航。
第二轮打击是太阳的高能粒子经过几十分钟的长途奔袭到达地球空间，我们可以通过卫星观测到。在地球上的这些高能粒子的通量百倍地上升，它会引起整个地球辐射环境的恶化，同时它也能够产生电离现象，并对地球空间有加热的效应，我们称之为“焦耳加热”。
第三轮是日冕物质抛射。这些抛射物到达地球空间之后，跟地球磁层发生相互作用，能够输入很多的物质和能量。
每一次能量的输入能够达到几百到几千GW。目前全球电力的装机大致也就是6000GW的量级，所以它一次输入到地球空间的能量是巨大的，而且它会影响地球空间整个磁场的体系，引起磁力线的变形、磁场的变形。
▲复杂的磁层电流体系
学过麦克斯韦方程组的都知道，磁场的变化会导致电流的变化，所以来自于太阳风的这些能量就能驱动地球磁层的各种电流。
在我们的头顶上空，地球空间有几个著名的大电流体系，包括磁层顶电流，还有在几个地球半径外的、环绕地球的环电流，以及沿着磁力线进入到地球空间高纬地区的极区场向电流。这些太阳的活动会显著地影响这些电流体系。
大家都知道，电流体系的变化也会引起整个地表磁场、空间磁场的变化，所以太阳活动会引起全球磁场的剧烈变化，这就是我们经常在媒体上所听说的“地磁暴”。所以太阳风暴引起地磁暴，就是这个物理变化过程。
在地球的极区，磁力线通向太空，形成了漏斗状，所以极区是通向太空的一个天然窗口。这些带电的粒子只有通过极区的磁力线，才能进入到地球的大气，这就是刚才所说的产生美丽极光现象的过程。
但是我刚才没有回答大家的一个问题：极光为什么有不同的颜色？比如在北京看见的是红色，在冰岛看见的更多的是绿色。这是因为带电粒子进入到地球大气的时候，在不同的高度碰撞不同的大气成分。
比如，在200、300公里的高度上面，它激发的是氧原子，从基态到激发态，然后释放，变成了红色的极光，它的高度是比较高的。绿色是撞击氧原子产生的另外一个基态的裂变，它的高度大概在100公里。再往下走一点，那就是激发氮气，产生蓝色的极光现象。
所以在极区高处产生的是红色的极光。北京是在中纬地区，只有在太阳爆发很剧烈的情况下，我们才能看到高高度的极光，而一般情况下是看不到的。所以这也就是不同粒子的成分、不同的磁场结构，导致了绚丽多彩的极光现象。
四、太空也有“天气”
在对流层、大气环境当中，一些短时间尺度的变化，如刮风下雨，被称为天气现象。太空当中也有天气现象。太空的空间环境也会发生短时间尺度的变化，源头来自太阳。太阳对我们到底有什么样的影响？
一个是空间环境会对航天活动带来严峻的考验。
▲空间环境对航天活动的影响
大家都知道，卫星、航天器、空间站都运行在几百公里到上万公里的地球空间，这些带电粒子会不断在航天器表面积聚。电子积聚就会形成负电压，积聚得越多，它就会产生越来越高的电压，有时能达到几千伏。几千伏的电压，如果它放电就会影响到卫星运行的安全。
在太空的辐射也远远高于地面的辐射。刚才提到的太阳高能粒子，如果打击航天器的话，它就会使航天器的逻辑信号、逻辑电路产生变化。
人类的数字电路都是由0和1组成的，如果有一次高能带电粒子打击逻辑电路的话，就可能把0变成1、1变成0。这被我们称为“单粒子翻转事件”，也就可能让人类指令发生根本的变化。
所以从这种意义上来讲，空间的辐射也会影响到航天器的安全运行，这是对航天器的直接损害。
还有一种太阳爆发活动引起的地磁暴，会让整个高层大气的密度产生变化，让地球大气就像在呼吸一样。在太阳活动的高年，高层大气的密度可超过活动低年的好几倍。
▲会呼吸的地球
如果大气密度增加的话，会给空间站、卫星的大气拖曳力都带来增加，这会使轨道不断地衰变。平时空间站的轨道高度每天下降150～200米，如果碰上一次大的太阳爆发、地磁暴产生之后，每天就要下降超过300米。
有一个很著名的例子：“星链”卫星发射的时候，正好碰上一次地磁暴，使高层大气密度显著增加。大家知道，“星链”卫星发射是分两步走，第一步把“星链”卫星送到200公里高度的转移轨道，然后由这些卫星自己推进，爬升到自己的使命轨道、任务轨道。
但是发射的那一天正好碰上地磁暴，所有的大气密度增加，所以这些卫星到了转移轨道之后，靠自己原来设定的推力，就没能克服大气密度的拖曳。最后49颗“星链”卫星当中，有38颗卫星坠入到大气层，造成了损毁。
空间环境还会对我们航天员的身体健康构成严重的威胁，包括地球的辐射带，来自于宇宙的宇宙线，以及高能的带电粒子。
在高空飞行的飞机，在一次太阳大爆发接受的辐射剂量，相当于我们做了100次X光的胸透。如果我们要往返火星，人体所接受的辐射量相当于每5～6天要做一次全身的CT。
太阳活动还会影响到电离层，使电离层受到扰动，致使导航定位的误差超过100米。这是对人类空间基础设施的影响。
它对地面长距离的输电线路也会产生影响，因为地磁场的变化相当于切割磁力线会产生感生电流，感生电流就会使变压器烧毁。曾经在1989年的魁北克就发生过类似的停电事件。
这张图片显示了太阳活动对于各种空间天气的效应。
五、给地球空间拍照
研究空间天气是为了更好地预报空间天气。就像气象卫星、地面站观测天气现象一样，我们对空间天气的监测和研究，也需要地基和天基的观测。
天基是卫星，用来观测太阳、行星际空间和我们的地球；地基就像星罗棋布的气象站，我们在地基部署空间环境的监测仪器，通过遥感来观测空间环境的变化。我们要了解太阳为什么爆发、如何爆发，它怎么影响地球空间的环境，但更重要的是，我们如何来准确地预报空间天气。
▲左：天基
右：地基
除了对太阳的观测，我们还非常关心太阳风的物质和能量怎么进入到地球空间。我刚才提到，地球空间外面有一个磁层，相当于地球空间的一个保护层，这些物质和能量怎么透过这个保护层？我们现在一无所知。连“保护伞”是什么样的形状，我们也是通过就地的观测，仍属于“盲人摸象”。
如何得到一个整体的成像，就需要对磁层进行整体成像的观测，于是我们跟欧洲科学家共同提出了一个太阳风—磁层相互作用全景成像卫星（SMILE，简称“微笑卫星”）。
“微笑卫星”是自2015年起，中国跟欧洲空间局联合研制的。现在它正在欧空局的欧洲空间研究和技术中心（ESTEC，European Space Research and Technology Centre）进行总装测试，到明年（2026年）“微笑卫星”将发射升空。这经历了将近十年的时间，十年磨一星。 我们期待着明年（2026年）“微笑卫星”成功发射，为揭开空间天气之谜贡献应有的力量。
编辑：张希阳
校对：张 凡
审核：陈 萍
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